直流電極化測(cè)深在采空積水量計(jì)算中的應(yīng)用

張有旺

（大同煤礦集團(tuán)公司五人小組管理部，山西大同037001）

直流電極化測(cè)深在采空積水量計(jì)算中的應(yīng)用

張有旺*

（大同煤礦集團(tuán)公司五人小組管理部，山西大同037001）

隨著煤炭技術(shù)的不斷發(fā)展，開采深度越來(lái)越深，采空積水區(qū)范圍的劃定成為防治水的重點(diǎn)內(nèi)容。通過直流電激發(fā)極化測(cè)深法對(duì)圈定區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)，根據(jù)點(diǎn)視極化率測(cè)深曲線分析，測(cè)點(diǎn)位置超過100m后，曲線表現(xiàn)出高值異常，ηs的最大值約為2%，即強(qiáng)富水性。以此可以判斷所圈定區(qū)域確實(shí)存在積水區(qū)。另外，通過測(cè)定的積水面積，根據(jù)煤層平均厚度和壓實(shí)系數(shù)等參數(shù)可以準(zhǔn)確計(jì)算積水量，為礦區(qū)積水安全隱患的排除提供保障，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

直流電；極化；積水；采空區(qū)；實(shí)踐

塔山礦雁崖擴(kuò)區(qū)8302工作面位于三盤區(qū)西南部，工作面已圈定。其中8302工作面山4#層上覆侏羅紀(jì)14-3#煤層，侏羅紀(jì)11-2#煤層，采空區(qū)積水現(xiàn)狀不清，為了查明14-3#、11-2#層采空區(qū)及積水情況，利用直流電極化法在圈定區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，取得了可靠的地質(zhì)成果。

1 概述

1.1 礦井概況

本區(qū)位于大同煤田中東部，東接口泉山脈，大部分地區(qū)呈低山丘陵地貌，海拔高度1100～1850m。地形起伏較大，地表大部分為黃土所覆蓋，僅溝谷及山脊地區(qū)有巖層出露，給物探勘查工作帶來(lái)一定的困難。煤田的基盤為上太古界集寧群，其后的各地層依次沉積有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系以及第四系。本次測(cè)區(qū)目的層（侏羅系下統(tǒng)大同組14-3#煤層）賦存特征如下：14-3#煤層的底板標(biāo)高為1310m，地勢(shì)為南高北低，煤層平均厚度為4.1m，煤層傾角為5°，埋深約200m。山4#煤直接頂板砂巖含水地層為山西組地層，其次從下至上為下石盒子組、上石盒子組、永定莊組地層，含K3-K11砂巖。

1.2 水文地質(zhì)情況

地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，由于受區(qū)內(nèi)地形高差較大，植被稀少，降水量少且集中等因素影響，造成地下水補(bǔ)給貧乏，砂巖裂隙含水層富水性弱。另外侏羅系大同組14#煤層的開采垮塌造成的淡水裂隙帶影響，大部分地表水和淺層地下水沿導(dǎo)水裂隙帶入滲至采空區(qū)，在采空區(qū)低洼處匯集成積水，從而直接影響石炭、二疊系煤層的開采。山西組砂巖裂隙含水層為山4#煤層的直接充水含水層，經(jīng)勘探和井下開采證實(shí)，砂巖含水層的涌水量不會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)大的影響。通過分析礦床水文地質(zhì)特征及充水因素得知，煤層開采的主要水文地質(zhì)問題為侏羅系大同組煤層采空積水問題。

2 電法勘探技術(shù)方案

2.1 直流電法方法原理

激發(fā)極化的直流電測(cè)深法在我國(guó)應(yīng)用很早，目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟。其工作原理是在同一測(cè)點(diǎn)上不斷擴(kuò)大電極距，加大測(cè)深，然后觀察這一測(cè)點(diǎn)不同垂直深度上的視電阻率和極化率的變化情況。

本次采空區(qū)積水測(cè)定工作采用的是對(duì)稱四極電測(cè)深，即以測(cè)點(diǎn)為中心，對(duì)稱于測(cè)點(diǎn)的AB極距按一定倍數(shù)向兩旁增大，同時(shí)AB極距和MN極距之間成一定的比例關(guān)系。對(duì)同一測(cè)點(diǎn)來(lái)講，不同的AB極距對(duì)應(yīng)著不同的ρs值和ηs值，因此以AB極距為橫坐標(biāo)、ρs值和ηs值為縱坐標(biāo)可以繪制曲線，該曲線就是這一測(cè)點(diǎn)垂直深度上的地質(zhì)變化。導(dǎo)致ρs值變化的主要變量是各電性層的厚度、層數(shù)、電阻率的大小以及電極距的長(zhǎng)短等因素；導(dǎo)致ηs值變化的主要變量是極化效應(yīng)的大小，也就是含水情況。

2.2 TD-3數(shù)字直流電法儀

本次測(cè)量中主要用到的儀器是TD-3數(shù)字直流電法儀。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，設(shè)定AB/2極距的最大值為300m，這樣就可以確?？碧缴疃饶芴綔y(cè)到14#煤層以下。根據(jù)溫納測(cè)深要求，AB/2極距與MN/2極距之間的關(guān)系如表1所示。

表1 激發(fā)極化法AB/2極距與MN/2極距關(guān)系一覽表

時(shí)間參數(shù)的選取為：TIME＝10000ms，V-DE?LY＝5000ms，M-DELY＝250ms，M-END＝270ms，M2-END＝5250ms，供電電壓在900V左右，供電電流在700mA左右。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

3.1 直流激電測(cè)深分析

根據(jù)前期的探測(cè)結(jié)果，在8302工作面8測(cè)線的180樁號(hào)點(diǎn)、8測(cè)線的900樁號(hào)點(diǎn)輔助性的布置了激電測(cè)深工作，確定異常區(qū)性質(zhì)和深度。

直流激電測(cè)深的主要參數(shù)有視電阻率ρs和視極化率ηs，視電阻率ρs測(cè)深曲線橫、縱坐標(biāo)均采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，模數(shù)均為6.25cm，橫坐標(biāo)代表供電電極距AB/2(即勘探深度)，縱坐標(biāo)代表視電阻率值ρs的大小，將不同供電電極距AB/2的ρs值相連成線，即為測(cè)深曲線。ρs值的大小與地層巖性有關(guān)，黃土、粘土和泥巖的值較低，砂巖的值與其粒度的大小有關(guān)，ρs值越大，地層的粒度越粗，反之則越細(xì)。視電阻率ρs測(cè)深曲線主要反映了各測(cè)點(diǎn)垂直方向電性變化情況。同樣，ηs測(cè)深曲線與ρs測(cè)深曲線類似，ηs值的大小與地層的富水程度有關(guān)，富水性越好，ηs值越大，反之則越小。視電阻率ρs測(cè)深曲線主要反映了各測(cè)點(diǎn)垂直方向電性變化情況?，F(xiàn)對(duì)所測(cè)單支曲線分析。

（1）8302工作面8測(cè)線180樁號(hào)。從圖1（a）中ρs曲線可以看出，隨橫坐標(biāo)（即AB/2極距）的增大，曲線整體的趨勢(shì)為從低到高，反映了煤系地層情況；從圖1（b）中ηs曲線可以看出，在橫坐標(biāo)（即AB/2極距）小于100m時(shí)，曲線平緩，大于100m的時(shí)候，ηs值異常增高，甚至可達(dá)2%，說(shuō)明富水性比較強(qiáng)。

圖1 8-180點(diǎn)視電阻率測(cè)深與點(diǎn)視極化率測(cè)深曲線圖

（2）8302工作面8測(cè)線900樁號(hào)。從圖2（a）中ρs曲線可以看出，隨橫坐標(biāo)（即AB/2極距）的增大，曲線整體的趨勢(shì)為從低到高，反映了煤系地層情況；從圖2（b）中ηs曲線可以看出，在橫坐標(biāo)（即AB/2極距）小于100m時(shí)，曲線平緩，說(shuō)明富水性較差，而大于100m的時(shí)候，ηs值異常增高，甚至可達(dá)2%，說(shuō)明富水性比較強(qiáng)。

對(duì)比2個(gè)測(cè)點(diǎn)的極化率曲線可知，在100m之后的極化率值，極化率極高，基本上反映了所圈定積水區(qū)的積水情況。

3.2 結(jié)果分析

從上面的分析知，所圈定的區(qū)域確實(shí)富水性較強(qiáng)，存在積水區(qū)的可能性非常大。根據(jù)前期物探的結(jié)果，標(biāo)定所圈定的區(qū)域面積編號(hào)為A1、A2、A3，A1面積為55434m2，A2面積為82615m2，A3面積為20198m2。根據(jù)式（1）可以計(jì)算積水區(qū)域的積水量。

式中：Q——積水量；

S——積水區(qū)面積；

h——煤層平均厚度，取4.1m；

v——壓實(shí)系數(shù)，取0.3。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 8-900點(diǎn)視電阻率測(cè)深與點(diǎn)視極化率測(cè)深曲線圖

表2 積水情況計(jì)算

4 總結(jié)

（1）通過直流電激發(fā)極化測(cè)深法對(duì)圈定區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)，根據(jù)點(diǎn)視極化率測(cè)深曲線分析，測(cè)點(diǎn)位置超過100m后，曲線出現(xiàn)高值異常，ηs值最大達(dá)2%左右，富水性比較強(qiáng)。以此可以判斷所圈定區(qū)域確實(shí)存在積水區(qū)。

（2）通過測(cè)定的積水面積，根據(jù)煤層平均厚度和壓實(shí)系數(shù)等參數(shù)可以準(zhǔn)確計(jì)算積水量，為快速排除煤礦的安全隱患提供依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)煤礦防治水安全生產(chǎn)具有一定意義。

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1004-5716(2016)12-0150-03

2016-02-24

2016-03-01

張有旺（1973-），男（漢族），山西渾源人，注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)從事安全監(jiān)管工作。